熱泵式低溫循環(huán)谷物干燥機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

陳坤杰 左 毅 李和清 戚 超 劉浩魯 賁宗友

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，南京 210031；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 210014)

0 引言

干燥是糧食生產(chǎn)過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是許多農(nóng)產(chǎn)物料長期貯藏的一種經(jīng)濟(jì)有效的方法[1-4]。如果新收獲的糧食不能及時(shí)干燥至安全含水率，則會因霉變和發(fā)芽等造成嚴(yán)重?fù)p失[5-6]。因此,利用干燥機(jī)對糧食進(jìn)行干燥是減少糧食損失、確保糧食安全的重要手段[7]。

常見的谷物干燥機(jī)種類主要有順流式[8]、混流式[9]和低溫循環(huán)式[5]等。其中，低溫循環(huán)式谷物干燥機(jī)因干燥品質(zhì)好、適合稻谷干燥等，在我國南方地區(qū)使用最為廣泛[10]。文獻(xiàn)[11]研究了5HSZ-R-12型循環(huán)式糧食干燥機(jī)的傳動系統(tǒng)，優(yōu)化了系統(tǒng)的上螺旋輸送機(jī)、下螺旋輸送機(jī)與六葉輪結(jié)構(gòu)；文獻(xiàn)[12]對5HY-50型低溫循環(huán)糧食干燥機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，使其適用于不同種類高、低含水率的糧食干燥；文獻(xiàn)[13]設(shè)計(jì)了一種小型種子循環(huán)干燥機(jī)，使干燥效率提高了20%；文獻(xiàn)[14]設(shè)計(jì)開發(fā)了一種內(nèi)置遠(yuǎn)紅外電熱管循環(huán)式干燥機(jī)，并通過試驗(yàn)確定了工作參數(shù)?，F(xiàn)有的低溫循環(huán)式干燥機(jī)大多以煤炭、燃油等化石能源燃燒產(chǎn)生的熱量作為熱源[15]，這不符合節(jié)能減排的要求。采用熱泵干燥技術(shù)對農(nóng)產(chǎn)品、食品和木材進(jìn)行干燥，不僅干燥品質(zhì)好，而且對環(huán)境污染小，近年來越來越受到人們的關(guān)注[16-18]。文獻(xiàn)[19]利用熱泵干燥機(jī)對稻谷進(jìn)行干燥試驗(yàn)研究；文獻(xiàn)[20]將空氣源熱泵應(yīng)用于多段塔式玉米干燥系統(tǒng)中，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，熱泵干燥系統(tǒng)比燃煤干燥系統(tǒng)單位干燥成本降低22.4%，且節(jié)能減排效果明顯。隨著國內(nèi)環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的提高，燃煤干燥已被逐步禁止，采用熱泵系統(tǒng)替代燃煤熱風(fēng)爐已成為糧食干燥機(jī)的發(fā)展方向[21]。

本文根據(jù)江淮地區(qū)的氣候條件，圍繞優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能干燥要求，設(shè)計(jì)一款熱泵式低溫循環(huán)谷物干燥機(jī)一體化控制系統(tǒng)。

1 干燥機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

熱泵式低溫循環(huán)谷物干燥機(jī)主要由電氣控制柜、谷物干燥機(jī)與熱泵系統(tǒng)3部分組成，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

電氣控制柜包括觸摸屏、PLC、控制按鈕和報(bào)警燈等部件，實(shí)現(xiàn)溫度監(jiān)控、熱泵組合調(diào)節(jié)和干燥機(jī)動作控制等功能。

谷物干燥機(jī)由提升電機(jī)、排風(fēng)機(jī)、排糧輪和螺旋輸送機(jī)等組成。其工作原理是通過各電機(jī)協(xié)同運(yùn)轉(zhuǎn)使糧食依次經(jīng)過緩蘇段、干燥段、冷卻段和排糧段，完成一次干燥循環(huán)。谷物水分儀檢測糧食達(dá)到目標(biāo)含水率時(shí)，干燥機(jī)停止動作。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)總體框圖

控制系統(tǒng)用于一體化控制熱泵與低溫循環(huán)谷物干燥機(jī)，實(shí)現(xiàn)谷物干燥過程的手動與自動等多模式控制。控制系統(tǒng)總體如圖2所示。

控制系統(tǒng)可分為6大模塊：主控模塊完成信號采集、數(shù)據(jù)處理和系統(tǒng)監(jiān)控等任務(wù)；A/D轉(zhuǎn)換模塊可以實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度和熱風(fēng)溫度等模擬量信號輸入以及信號的A/D轉(zhuǎn)換；數(shù)據(jù)通訊模塊的作用是通過RS485通訊將谷物水分儀水分信號傳輸給主控模塊；拓展模塊將風(fēng)壓檢測器、堵糧檢測器等傳感器信號通過緊急報(bào)警電路傳給主控模塊并通過報(bào)警燈顯示報(bào)警狀態(tài)；輸出控制模塊通過PLC輸出端口對中間繼電器施加有效控制信號，進(jìn)而通過強(qiáng)電控制器控制熱泵與谷物干燥機(jī)動作；人機(jī)交互與顯示模塊用于設(shè)置目標(biāo)谷物含水率、谷物品種和定時(shí)時(shí)間等參數(shù)，顯示溫度、含水率和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等實(shí)時(shí)信息。

2.2 硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以PLC為主控制器，控制熱泵與干燥機(jī)電機(jī)、采集傳感器數(shù)據(jù)并與觸摸屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互等功能。根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，控制系統(tǒng)的輸入量分布為12個(gè)數(shù)字量和3個(gè)模擬量，輸出量為18個(gè)數(shù)字量，并從系統(tǒng)架構(gòu)、I/O點(diǎn)數(shù)、參考精度和經(jīng)濟(jì)性綜合考量[22-25]，選用具有20個(gè)數(shù)字量的臺達(dá)DVP-28SS211T型PLC，另外再配置支持12通道數(shù)字量的拓展模塊DVP-08SN11T。控制系統(tǒng)需采集環(huán)境溫度、熱風(fēng)溫度和糧食溫度信息。結(jié)合江淮地區(qū)谷物干燥環(huán)境特點(diǎn)，選用檢測溫度范圍為-20～80℃的JCJ100R型溫度傳感器，通過DVP04AD-S型模擬量拓展模塊采集溫度。PLC控制電路圖如圖3所示。

本文將熱泵與干燥機(jī)控制組件結(jié)合于一個(gè)控制電路內(nèi)，可有效地對兩設(shè)備進(jìn)行一體化控制。同時(shí)，設(shè)計(jì)了緊急報(bào)警電路，當(dāng)風(fēng)壓檢測器、堵糧檢測器或高低壓報(bào)警器任一部分發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)會立即同時(shí)切斷熱泵與干燥機(jī)的控制電路，以確保系統(tǒng)整體安全。

系統(tǒng)人機(jī)交互界面選用中達(dá)電通股份有限公司生產(chǎn)的DOP-B10S615型觸摸屏，通過MPI/PPI型電纜與PLC 建立通訊。該觸摸屏具備強(qiáng)大的圖像顯示和數(shù)據(jù)處理功能[26]，滿足現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和存儲、前段數(shù)據(jù)的處理與控制要求。

2.3 PLC軟件設(shè)計(jì)

PLC控制流程如圖4所示，網(wǎng)絡(luò)程序包括：主程序、溫度采集子程序、谷物水分儀通訊子程序、溫度控制子程序和SFC(順序功能圖)控制算法程序等。

模擬量采集模塊具有12位精度數(shù)字量，所選取的溫度傳感器輸出信號為電壓型，數(shù)字量換算公式為

(1)

式中Ov——溫度數(shù)字值輸出結(jié)果

Iv——溫度電壓值，V

Osh——數(shù)字值輸出上限

Osl——數(shù)字值輸出下限

Ish——電壓信號值上限，V

Isl——電壓信號值下限，V

溫度傳感器的輸出滿足

(2)

式中Tv——溫度實(shí)際值，℃

Tsh——溫度量程上限，℃

Tsl——溫度量程下限，℃

根據(jù)式(1)、(2)計(jì)算可得溫度實(shí)際值與溫度數(shù)字值輸出對應(yīng)關(guān)系為

(3)

控制系統(tǒng)程序采用SFC控制算法設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)對熱泵系統(tǒng)與谷物干燥機(jī)的一體化控制，如圖5所示。該算法可避免系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的誤動作，提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

2.4 觸摸屏軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用DOPSoft組態(tài)軟件進(jìn)行觸摸屏程序設(shè)計(jì)，包括用戶登錄界面和功能界面，觸摸屏軟件設(shè)計(jì)界面如圖6所示。根據(jù)生產(chǎn)要求，功能界面主要由設(shè)備監(jiān)控界面、參數(shù)設(shè)置界面、設(shè)備調(diào)試界面、溫度采集界面和實(shí)時(shí)報(bào)警界面組成，可實(shí)現(xiàn)工作模式選擇以及含水率、溫度和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測等功能；參數(shù)設(shè)置界面可設(shè)定定時(shí)循環(huán)時(shí)間、定時(shí)干燥時(shí)間、目標(biāo)含水率和干燥谷物品種等；溫度采集界面實(shí)現(xiàn)傳感器實(shí)時(shí)信號采集與曲線繪制等功能。

3 控制系統(tǒng)測試試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件與方法

2018年10—12月在江蘇省泰州市姜堰區(qū)騰飛種植家庭農(nóng)場利用本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)測試。谷物干燥機(jī)為5HXG-120型低溫循環(huán)谷物干燥機(jī)，選用初始含水率約為24%的淮稻5號稻谷為干燥對象，控制系統(tǒng)測試試驗(yàn)嚴(yán)格參照GB/T 6970 2007《糧食干燥機(jī)試驗(yàn)方法》與JB/T 10268 2001《批式循環(huán)谷物干燥機(jī)操作要求》。通過PLC的時(shí)序圖功能記錄控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)。試驗(yàn)現(xiàn)場如圖7所示。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

控制系統(tǒng)為手動工作模式時(shí)，干燥機(jī)的進(jìn)糧試驗(yàn)、循環(huán)試驗(yàn)、干燥試驗(yàn)和排糧試驗(yàn)的時(shí)序如圖8所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，控制系統(tǒng)達(dá)到該狀態(tài)下各干燥流程的控制要求。

控制系統(tǒng)為自動工作模式時(shí)，由于稻谷干燥時(shí)間較長，為方便時(shí)序圖顯示，本文截取控制狀態(tài)改變時(shí)圖像，如圖9所示。當(dāng)檢測到滿糧信號時(shí)，系統(tǒng)由進(jìn)糧流程自動切換到干燥流程，系統(tǒng)根據(jù)環(huán)境溫度自動控制熱泵的輸出熱風(fēng)溫度，當(dāng)水分儀檢測稻谷達(dá)到目標(biāo)含水率后關(guān)閉熱泵系統(tǒng)，進(jìn)入循環(huán)流程將稻谷冷卻降溫，最后通過排糧流程將稻谷排出。

為測試控制系統(tǒng)的定時(shí)模式，在定時(shí)控制功能下，設(shè)置定時(shí)時(shí)間為60 s，按下定時(shí)計(jì)時(shí)按鈕，定時(shí)計(jì)數(shù)器M2置高電平，計(jì)時(shí)開始，當(dāng)計(jì)時(shí)結(jié)束時(shí)，排糧輪、下螺旋輸送電機(jī)、提升電機(jī)與風(fēng)機(jī)依次順序停止，定時(shí)循環(huán)結(jié)束。工作時(shí)序圖如圖10所示。試驗(yàn)結(jié)果表明控制系統(tǒng)能夠滿足定時(shí)功能需求。

為了測試系統(tǒng)的緊急報(bào)警功能，當(dāng)風(fēng)壓檢測器檢測到風(fēng)壓不足時(shí)，線圈Y14立即變?yōu)榈碗娖?，干燥機(jī)控制電路斷開，同時(shí)線圈Y15置高電平，報(bào)警燈提示報(bào)警信息，故障保護(hù)功能時(shí)序圖如圖11所示，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。

4 熱泵熱風(fēng)溫度控制結(jié)果與分析

4.1 熱風(fēng)溫度采集與分析

谷物干燥時(shí)需維持在較為恒定的溫度條件下，本文采用帶有噴氣增焓的4級熱泵，通過調(diào)節(jié)不同組合熱泵級數(shù)控制輸出熱風(fēng)溫度。2018年10—12月和2019年9—12月期間，在不同環(huán)境溫度條件下，采集與記錄不同熱泵級數(shù)組合的熱風(fēng)溫度數(shù)據(jù)，結(jié)果如表1所示。

表1 不同環(huán)境溫度各熱泵組合熱風(fēng)溫度試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)環(huán)境溫度大于15℃時(shí)，可實(shí)現(xiàn)輸出熱風(fēng)目標(biāo)溫度(50～60℃)的不同熱泵級數(shù)組合較多；當(dāng)環(huán)境溫度于10～15℃時(shí)，開啟3級或以上熱泵組合的熱風(fēng)溫度可達(dá)目標(biāo)溫度，但可選組合較少；當(dāng)環(huán)境溫度低于10℃時(shí)，熱風(fēng)溫度整體偏低，3級或以上的熱泵組合難以滿足目標(biāo)溫度，2級或單級的熱泵組合熱風(fēng)溫度遠(yuǎn)低于目標(biāo)溫度。因此，環(huán)境溫度低于15℃時(shí)，增加噴氣增焓試驗(yàn)，得出開啟噴氣增焓時(shí)不同級數(shù)熱泵組合條件下熱風(fēng)溫度，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 開啟噴氣增焓各熱泵組合熱風(fēng)溫度試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)文獻(xiàn)[27]開啟噴氣增焓和多個(gè)熱泵時(shí)會較大增加能耗，結(jié)合實(shí)際測得的熱風(fēng)溫度制定熱泵控制策略，通過PLC編程實(shí)現(xiàn)熱泵組合自動控制。

4.2 稻谷干燥溫度試驗(yàn)結(jié)果

以55℃為目標(biāo)熱風(fēng)溫度進(jìn)行稻谷干燥試驗(yàn)，得出不同環(huán)境溫度下，熱風(fēng)溫度與糧食溫度試驗(yàn)結(jié)果如圖12所示。試驗(yàn)結(jié)果誤差分析如表3所示。

由表3可知，熱風(fēng)溫度控制于53.20～57.80℃之間，熱風(fēng)溫度平均誤差為0.95℃，標(biāo)準(zhǔn)差為0.93℃，控制系統(tǒng)具有較好的控制精度與穩(wěn)定性。糧食溫度在33℃上下波動，標(biāo)準(zhǔn)差為0.43℃，糧食溫度波動較小，符合低溫循環(huán)式谷物干燥機(jī)作業(yè)要求[28]。

表3 誤差分析結(jié)果

5 結(jié)論

(1)根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要，設(shè)計(jì)了將熱泵系統(tǒng)與低溫循環(huán)谷物干燥機(jī)相結(jié)合的一體化控制系統(tǒng)，采用SFC控制算法與梯形圖實(shí)現(xiàn)對糧食干燥過程的進(jìn)糧、循環(huán)、干燥與排糧4個(gè)流程的控制。針對易發(fā)生故障的風(fēng)機(jī)與排糧輪，設(shè)計(jì)了故障檢測與報(bào)警系統(tǒng)。

(2)通過研究不同環(huán)境溫度下、不同熱泵啟停組合的實(shí)際運(yùn)行狀況，設(shè)計(jì)了熱泵式低溫循環(huán)谷物干燥機(jī)的溫度控制策略。稻谷干燥溫度試驗(yàn)表明，在環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，熱風(fēng)溫度平均誤差為0.95℃，標(biāo)準(zhǔn)差為0.93℃，系統(tǒng)具有較好的控制精度與穩(wěn)定性。糧食溫度穩(wěn)定在33℃左右，滿足低溫循環(huán)谷物干燥機(jī)的作業(yè)要求。